Pirotecnica Chimica e fisica

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Pirotecnica FWA e FWB

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Versione: 05.06.2020 pj/rd

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Indice

1.    La combustione in generale e la combustione di un composto pirotecnico ...2
2.    Il composto pirotecnico .......................................................................................3
      2.1 Comburenti (contengono ossigeno) ..............................................................3
      2.2 Combustibili ..................................................................................................3
      2.3 Coadiuvanti ...................................................................................................3
              2.3.1      Esempio: composto di polvere nera .............................................................. 4
3.    L'innesco ..............................................................................................................4
4.    Luce e fiamme colorate .......................................................................................5
5.    Luce e scintille .....................................................................................................5
6.    Scoppio .................................................................................................................5
7.    Fischi e sibili ........................................................................................................6
8.    Fumo e nebbia ......................................................................................................6
      8.1 Fumo bianco .................................................................................................6
      8.2 Fumo colorato ...............................................................................................6
      8.3 Nebbia bianca ...............................................................................................7
              8.3.1      Metodo del ghiaccio secco/ CO2.................................................................... 7
              8.3.2      Nebbia fluida .................................................................................................. 7
9.    Fuoco senza fumo................................................................................................7
10. Fuochi da palcoscenico.......................................................................................8
11. Movimento ............................................................................................................8
12. Avvertenze di sicurezza .......................................................................................9
13. Aspetti legali.........................................................................................................9
14. Fonti letterarie e internet .....................................................................................9

Nota: Il testo in corsivo rappresenta un approfondimento del tema.

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1. La combustione in generale e la combustione di un composto
   pirotecnico

A tutti è chiaro che per la combustione c'è bisogno d'aria, in particolare dell'ossigeno in essa
contenuto. Una volta accesa, l'elemento infiammabile, ad es. legno, carbone, olio combustibile, gas
naturale, ecc. si combina con l'ossido o gli ossidi. Il chimico parla pertanto di ossidazione. Uno dei
prodotti dell'ossidazione maggiormente conosciuti è il noto biossido di carbonio (CO2).

(In chimica la combustione viene definita una ossidoriduzione o redox. Questo significa: un componente, il
comburente, si ossida mentre l'altro, la sostanza che brucia, si riduce. Il fatto che in questo caso si tratti di
una reazione con trasferimento di elettroni, possibile non soltanto con l'ossigeno, non viene spiegato in questo
contesto ma resta un tema per chi fosse interessato ad approfondire).

Come brucia però un fuoco d'artificio, ad es. un vulcano, che funziona anche senza apporto d'aria,
persino sott'acqua? Trovare una risposta a questa domanda è stato in assoluto il punto
fondamentale dell'intera storia dello sviluppo della pirotecnica. Si doveva trovare una materia che
contenesse di per sé ossigeno, in un certo senso ossigeno sotto forma di polvere. E questa materia
esisteva per davvero. La prima materia di questo tipo fu il "salnitro" (potassio o nitrato di potassio),
ossia sali presenti in natura o che potevano nascere dalla decomposizione di sostanze organiche
che contenevano azoto (ad es. escrementi). Una volta scaldati, questi si scomponevano e
liberavano una quantità d'aria relativamente grande. Nel caso del nitrato di potassio, il componente
principale della polvere nera, si tratta almeno del 40 percento del peso. E' tuttavia per caso che si
scoprì che questa sostanza era in grado di intensificare il fuoco, gettandola nella brace. Il salnitro e
altri nitrati vengono definiti comburenti. Attualmente esistono diversi comburenti. Tutti hanno lo
scopo di apportare ossigeno alla miscela pirotecnica o, per essere più precisi, al composto
pirotecnico. La combustione di un composto pirotecnico può avvenire a diverse velocità. Da una
parte questa dipende dal tipo e dalla composizione della formula, dall'altra come è stato lavorato il
composto all'interno del corpo del fuoco d'artificio, se questo è sciolto all'interno di una camera
oppure ad es. è compresso. La velocità di combustione può variare da pochi mm/sec. (ad es.
bengala) fino a raggiungere oltre mille m/sec. (ad es. composti esplosivi). In tutti i casi l'energia
viene liberata sotto forma di calore. I chimici la chiamano reazione esotermica.

(Per velocità fino a 1500 m/sec. si parla di una deflagrazione, oltre queste velocità di una detonazione. Nel
caso di quest'ultima, per alcuni esplosivi si sono misurate velocità superiori agli 8000 m/sec.)

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2. Il composto pirotecnico

Con "composto pirotecnico" si intende un miscuglio di materie, che in caso di combustione, emette
energia producendo l'effetto desiderato. Possono essere effetti luminosi, scintille, fischi, scoppi,
fumo, pressione o un movimento. Nel corpo del fuoco d'artificio possono essere utilizzati vari
composti pirotecnici che provocano diversi effetti. Gli elementi principali di un composto sono:

       Comburenti (contengono ossigeno)
Se scaldati rilasciano ossigeno, necessario per la combustione in assenza d'aria.
I principali comburenti sono:
- nitrati: (salnitro) nitrato di potassio, nitrato di sodio, nitrato di stronzio, nitrato di bario e nitrato
  d'ammonio.
- clorati: clorato di potassio, clorato di bario
- perclorati: perclorato di potassio, perclorato d'ammonio
- ossidi: ossido ferrico, ossido rameico, minio, diossido di manganese
- perossidi: clorato di potassio)

      Combustibili
Questi apportano energia, producono calore, luce e gas
I principali combustibili sono:
- non-metalli: carbone di legna, zolfo, silicio, boro,
- composti organici: zucchero, amido, resina naturale, sali dell'acido benzoico, resina
  artificiale, salicilato, ecc.
- metalli: magnesio, alluminio, leghe di alluminio e magnesio ("Magnalium"), titanio, ferro, zinco,
  zirconio, ecc.
- solfuri metallici: solfuro di antimonio)

      Coadiuvanti
- agglutinanti: la resina naturale e quella artificiale trasformano il composto di polvere in un
corpo solido.
   Esempio d'applicazione: testa del fiammifero, cometa, stella, ecc.
   Classi di sostanze utilizzate: amido, gomma arabica, gomma acaroide, colofonia, scialacca,
   gelatina
   Polimeri: epossidico, poliuretano e altre resine artificiali

- coloranti: miscelando i seguenti elementi la fiamma si colora come indicato di seguito:
  Sodio      Na dà una colorazione gialla
  Calcio     Ca dà una colorazione arancione
  Stronzio Sr      dà una colorazione rossa
  Bario      Ba dà una colorazione verde
  Rame       Cu dà una colorazione blu

Mescolando questi elementi è possibile creare anche tonalità intermedie come il viola, verde
acqua, turchese, verde-giallo, ecc.

Per le miscele si utilizzano principalmente carbonati, nitrati, ossalati e solfati. I nitrati e i clorati hanno allo
stesso tempo un effetto ossidante e colorante.

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- catalizzatori: grazie a questi è possibile rallentare o accelerare la velocità di combustione di
un composto.

Esempio: Il fuoco del bengala viene ad esempio rallentato con un catalizzatore mentre per un composto di
scoppio con lampo viene accelerato.

2.3.1 Esempio: composto di polvere nera

L'esempio più noto di composto pirotecnico è sicuramente la polvere nera, che deve essere
giustamente descritta come l'avo e la "regina" dei composti pirotecnici. Già migliaia di anni fa (!),
questa materia veniva prodotta nello stesso modo di oggi o quasi. E ancora oggi la pirotecnica non
esisterebbe senza la polvere nera.

Esempi di utilizzo al giorno d'oggi:
• esplosioni controllate nelle cave di pietra
• riempimento di micce
• composti propulsivi per razzi pirotecnici
• cariche di lancio per vasi, tubi di lancio comete, candele romane e bombe pirotecniche
• di ogni tipo.
• componente per il riempimento di vulcani, stelle, comete, ecc.
• accensione di articoli pirotecnici di ogni tipo
• polvere da sparo in occasione di riproduzioni storiche
• carica di percussione nella carica propellente da artiglieria

Tradizionali composti di polvere da sparo:
nitrato di potassio 75 % comburente
carbone di legna    15 % combustibile
zolfo               10 % combustibile

Miscelando i singoli elementi sopra menzionati si resterebbe delusi rispetto agli amati effetti della
polvere. Infatti, solo la mescolanza più intima e la concentrazione attraverso speciali macine per
polvere e infine la granulazione permettono di avere una polvere nera di qualità.

Le interessanti proprietà tecniche della polvere da sparo sono: un'ottima infiammabilità, un'ottima
capacità di conservazione per decenni, una produzione di gas media e buone caratteristiche di
combustione. (Sotto pressione la velocità di combustione aumenta solo relativamente - al contrario
della nitrocellulosa senza fumo).

3. L'innesco

La combustione inizia in seguito all'innesco. Necessita di un apporto di energia dall'esterno per
avviare la reazione chimica della combustione. Il chimico parla di energia di attivazione. Questo
apporto può derivare dal calore (innesco elettrico, un fiammifero, ecc.) dallo sfregamento o dalla
percussione. Senza l'influenza esteriore i composti pirotecnici chimici stabili non sono soggetti ad
autocombustione.

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4. Luce e fiamme colorate

La luce e il colore sono il risultato di processi fisici. Lo possiamo vedere con l'esempio di una
tradizionale lampada a incandescenza con possibilità di dimmerizzazione.
Accendendo il regolatore al minimo viene introdotta nella spirale poca corrente (= poca energia). Il
filamento della lampadina si scalda poco e diventa rosso (ca. 800 °C). Se si aumenta l'apporto
d'energia, questo si scalda e il colore diventa prima arancione, poi giallo fino a diventare bianco (ca.
2800°C). La luce neutra bianca è formata dall'unione (addizione) di tutti i colori dello spettro
nell'intervallo di lunghezza d'onda visibile. Questo comprende l'intervallo da 380 nm (viola) a 780
nm (rosso). Per quanto riguarda la luce dei fuochi d'artificio, il processo fisico di produzione di luce
è simile. Al posto della corrente è necessaria l'energia di attivazione derivante dal riscaldamento di
particelle solide.
In condizioni di temperatura relativamente bassa, le fiamme che si creano sono rosso-arancione
fino a gialle come ad esempio per il fuoco, fiaccole, bracieri, comete dorate, palme dorate, bombe
kamuro, ecc. Man mano che la temperatura aumenta, cosa che nella pirotecnica presuppone la
presenza di metalli, la luce emessa sarà più intensa e sempre più bianca. Se si utilizza il metallo
magnesio con i comburenti adatti si raggiungono temperature oltre i 3000°C.

Certi elementi chimici, soprattutto i metalli o le loro leghe, hanno la capacità, in presenza di alte
temperature, di emettere una parte dell'apporto di energia sotto forma di luce. Se si scelgono le
giuste condizioni di reazione si ottiene una luce colorata. Nel capitolo 2.3 sono menzionati gli
elementi in questione.

Il processo fisico di emissione di luce avviene negli elettroni del guscio esterno dell'involucro atomico. In
presenza di un forte calore gli elettroni saltano temporaneamente dal guscio inferiore a quello superiore
successivo ma ricadono immediatamente. Durante la ricaduta emettono l'energia che hanno
precedentemente accumulato sotto forma di quanti di luce (fotoni).

5. Luce e scintille

I composti pirotecnici che contengono particelle fini di metalli come il magnesio, l'alluminio, il titanio
e altre leghe vengono utilizzati per produrre luce sotto forma di stelle chiare, granate stordenti e
polvere flash. Scintille, come quelle delle comete, stelle filanti, candele scintillanti, fontane, bombe
crisantemo, cascate Niagara ecc., sono prodotte principalmente da particelle di metallo più grosse
oppure da speciali tipi di carbone di legna.

I composti pirotecnici che emettono scintille a lungo hanno un effetto supplementare. Le singole particelle,
siano esse metalli o carbone di legna, durante la combustione del composto si scaldano e i gas caldi le
soffiano via per poter attingere all'ossigeno necessario contenuto nell'aria e poter così continuare la
combustione. In questo modo è possibile ottenere piogge d'oro o d'argento di lunga durata e comete dalle
lunghe code.

6. Scoppio

Grazie a composti ad alta energia, a base di polvere fine di metallo (combustibile), che bruciano
molto velocemente, e i comburenti adatti è possibile produrre degli scoppi. A seconda della formula
del composto, della tipologia di isolamento e della quantità impiegata è possibile adeguare la
tipologia di suono e l'intensità allo scopo d'utilizzo.

Lo scoppio è il risultato della variazione improvvisa e violenta di densità dell'aria prodotta tra l'altro da
un'esplosione. L'onda d'urto viene percepita come scoppio.

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7. Fischi e sibili

Un effetto molto particolare è prodotto dai fuochi d'artificio fischianti e sibilanti. L'effetto è prodotto
dal fatto che il composto fischiante posto all'interno di un tubo di cartone o di plastica lo riempie solo
a metà oppure è meno pressato. La combustione avviene ad intermittenza (bruscamente), a
intervalli di tempo ridotti. In questo modo si provocano delle onde d'urto nella colonna d'aria
presente sopra il composto che vengono percepite come dischi o sibili. Attraverso lo spazio d'aria
al di sopra del composto, che durante la combustione diventa sempre più grande, si modica la
lunghezza del suono in profondità. In questo modo si crea il tipico fischio e sibilo dei "fischi
pirotecnici" (sirene).

8. Fumo e nebbia

La maggior parte delle reazioni pirotecniche producono fumo e nebbia, sia che lo si voglia o no.
Innanzitutto chiariamo la differenza tra fumo e nebbia.

Il fumo è formato dalla dispersione di piccolissime particelle solide nell'aria (polveri sottili). Si tratta
di prodotti solidi generati durante la reazione di combustione. Nel caso dei fumogeni questi prodotti
della reazione vengono generati intenzionalmente.

La nebbia è formata dalla dispersione di piccolissime particelle liquide (generalmente acqua)
nell'aria.

La nebbia si forma quando l'umidità relativa dell'aria supera il 100%, provocando la condensazione delle
goccioline. Anche le materie con elevate proprietà di assorbimento dell'acqua, se disperse nell'aria molto fini
e se in quel momento contengono umidità naturale sufficiente, possono contribuire alla formazione di nebbia.
Questo aspetto viene sfruttato nei composti pirotecnici che producono nebbia.

       Fumo bianco
Per l'utilizzo all'aperto

Il fumo per l'utilizzo all'aperto è composto generalmente da una combinazione di fumi e speciali
generatori di nebbia. Questo fumo è irritante e dannoso per la salute. Evitare di inalarlo. Inoltre
attacca il metallo provocando danni da corrosione. Questo tipo di fumo viene utilizzato negli effetti
speciali di film o spettacoli teatrali all'aperto e durante la formazione per fuochisti. In questi casi
viene indossata una protezione delle vie respiratorie. Anche le granate fumogene militari si basano
sullo stesso principio.

       Fumo colorato
Per l'utilizzo all'aperto

Nel caso del fumo colorato si tratta di una fine dispersione nell'aria di sostanze coloranti, organiche,
solide. In pratica avviene all'incirca quanto segue. Ad un composto pirotecnico che brucia a
temperature relativamente basse (composto di zolfo) viene aggiunto un pigmento colorato organico
sintetico. Durante la combustione sublima e genera immediatamente un fumo colorato fitto formato
da pigmenti finissimi. Questo fumo, poiché formato da materie solide, si deposita da qualche parte.
Sussiste pertanto il pericolo che la zona circostante il luogo della combustione venga contaminata.
Questo aspetto ne limita pertanto l'ambito d'utilizzo pratico. E' quindi sconsigliato un utilizzo
all'interno.

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      Nebbia bianca
Per l'utilizzo su palchi e all'interno

Esistono due diversi metodi per produrre nebbia bianca. Entrambi si basano sulla formazione di
particelle liquide (nebbia).

8.3.1 Metodo del ghiaccio secco/ CO2
Il ghiaccio secco è formato da biossido di carbonio ghiacciato ad una temperatura di meno 78°C.
Per produrre la nebbia con il ghiaccio secco, questo viene immerso nell'acqua calda e genera
immediatamente una nebbia fredda di gas arricchito di biossido di carbonio. Poiché l'intero mix è
freddo e la CO2 è un gas più pesante dell'aria, questa nebbia si espande lungo il pavimento.
Avvertenza: gli attori presenti sul palcoscenico possono immergere la testa in questa nebbia di
ghiaccio freddo solo per un breve momento. La nebbia non è velenosa però allontana l'ossigeno
dal pavimento. Per questo motivo sussiste il pericolo di soffocamento. Prestare particolare
attenzione a questo fenomeno nel caso vi sia una fossa dell'orchestra o una platea molto bassa!

8.3.2 Nebbia fluida
Al giorno d'oggi al chiuso e sui palchi viene utilizzata principalmente la tecnica della nebbia fluida.
Il principio è il seguente:
nelle macchine elettriche che producono nebbia viene messa una miscela di acqua demineralizzata
e ad es. glicole propilenico, la quale viene scaldata, attraverso uno scaldaacqua istantaneo, a una
temperatura di ca. 290°C e poi soffiata fuori attraverso un piccolo ugello. Non appena il caldo vapore
entra in contatto con l'aria fredda si crea un aerosol di microgoccioline che formano la nebbia. Il
glicole propilenico ha la funzione di creare dei nuclei di condensazione. La nebbia che si crea non
è velenosa, non è corrosiva e non forma residui.

9. Fuoco senza fumo
A base di nitrocellulosa (NC)

Negli ambiti in cui il fumo è assolutamente indesiderato, vengono utilizzati generalmente prodotti
pirotecnici a base di nitrocellulosa. La nitrocellulosa è una cellulosa naturale (cotone) trattata
chimicamente con acido nitrico e solforico concentrati (nitrazione). Dopo questo trattamento
assume caratteristiche completamente nuove. La combustione avviene quasi completamente
senza fumo con una fiamma gialla chiara. A seconda del grado di nitrazione, la NC viene utilizzata
per il fulmicotone, le corde e la carta. La nitrocellulosa trova altri impieghi anche nelle stelle
fantastiche, nelle colonne di fuoco e nelle cariche di lancio delle bombe da tavolo.
Oltre al vantaggio di una combustione senza fumo, la nitrocellulosa ha una proprietà che per la
pirotecnica è problematica: la velocità di combustione aumenta esponenzialmente in caso di
aumento della pressione. Nel caso vi sia un tappo o ve ne sia grande quantità può provocare
velocemente un'esplosione incontrollata. Per questo motivo quando si usa la nitrocellulosa è
necessario prestare particolare attenzione.

Al contrario di un composto pirotecnico, che è formato da un miscuglio di comburenti e un combustibile, la
nitrocellulosa è un'unica materia. In questo caso, l'ossigeno necessario per la combustione è incorporato
chimicamente nelle molecole. Al momento della combustione (risp. una esplosione) avviene una reazione
redox intramolecolare.

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10. Fuochi da palcoscenico

Gli effetti elencati di seguito vengono utilizzati principalmente sui palchi e non sono disciplinati dalla
Legge sugli esplosivi.

Fuochi da palcoscenico (fuoco tradizionale)
Il fuoco da palcoscenico si crea bruciando una pasta combustibile sicura. Si tratta generalmente di
una miscela densa a base d'alcol che produce una fiamma naturale gialla senza o con poco fumo.
La combustione avviene principalmente in bracieri di metallo.

Fuoco da palcoscenico colorato
Si tratta principalmente di alcol metilico (velenoso!) arricchito con sostanze coloranti. Per quanto
riguarda le ultime, si tratta più o meno degli stessi elementi e loro agglutinanti enunciati nel capitolo
2.2 (fiamme colorate).

Avvertenza: a causa della velenosità di questi prodotti, in caso di utilizzo in spazi chiusi è
necessario provvedere a una buona aerazione. Se si impiegano grandi quantità si consiglia agli
operatori di indossare una maschera ai carboni attivi. I gas di combustione con cui viene a contatto
il pubblico sono invece innocui.

Palle di fuoco a base di licopodio
Si tratta delle spore del licopodio, una pianta che cresce nelle zone subartiche temperate. Le spore
hanno la proprietà di bruciare bene nell'aria allo stadio polveroso. Questa caratteristica viene
sfruttata utilizzando un'apparecchiatura ad aria compressa che soffia la polvere di licopodio
attraverso una fiamma pilota. Questa si infiamma e crea una palla di fuoco. In principio si tratta di
un'esplosione di polvere controllata con effetti spettacolari.

Lancia gas/ lancia fiamme (Gas)
I lanciafiamme utilizzano principalmente gas propano liquido o butangas. Sono utilizzate anche
delle miscele. Attraverso la pressione naturale della bombola o della cartuccia, il gas liquido viene
spruzzato nell'aria in modo fine attraverso un ugello sfiorando una fiamma pilota. Il gas, scorrendole
accanto si infiamma. Poiché il combustibile non si distribuisce in modo omogeneo nell'aria
circostante (ossigeno) provoca una fiamma gialla ben visibile. Lavorare con i lanciafiamme
presuppone l'utilizzo di un'apparecchiatura collaudata e moltissima attenzione durante
l'installazione, l'utilizzo e lo smontaggio. Con un comando moderno e più bruciatori è possibile
realizzare magnifici effetti coreografici.

11. Movimento

L'energia di combustione di determinati composti che producono gas, viene utilizzata per produrre
energia meccanica. Esempio: durante l'esplosione, i gas caldi spaccano la roccia e le pietre volano
in aria. Nelle bombe pirotecniche le cariche esplosive distribuiscono le stelle nel cielo notturno. Le
cariche di lancio nei mortai trasportano le bombe e le granate in quota. La stessa cosa, in misura
ridotta, succede nelle candele romane, nelle mine, nei vasi, ecc., nel fucile, dove la polvere da sparo
è contenuta nella cartuccia oppure nelle cariche di polvere nera utilizzate nelle rievocazioni storiche
di sparatorie. Vi sono ancora molti esempi in cui le masse vengono mosse dalla potenza del gas.

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Il missile assume dal principio propulsore una posizione particolare. Esso agisce secondo il principio
di azione e reazione formulato del noto fisico inglese Newton. Questo significa che il missile
attraverso la reazione viene accelerato in avanti con la stessa forza con cui il mezzo propulsivo ha
emesso i gas caldi all'indietro. Il razzo non ha bisogno di alcun mezzo (ad es. pavimento, aria) per
respingersi, esso funziona in modo assolutamente autonomo, anche in assenza d'aria. Questo
spiega anche perché la propulsione dei missili è l'unica che funziona nello spazio.

Le seguenti raffigurazioni mostrano come funziona il principio utilizzato nei missili.

       Le forze di spinta si distribuiscono              Le forze di spinta agiscono in modo
           in modo uniforme - nessun                                 asimmetrico.
                   movimento                              Il missile si muove verso sinistra

12. Avvertenze di sicurezza
I composti pirotecnici contengono tutti gli elementi reattivi necessari per essere utilizzati. Per il loro
azionamento è necessaria la già menzionata energia di attivazione. Questa può essere data non
solo da una fiamma o da un innesco, bensì anche ad esempio dal calore, da una percussione o
dallo sfregamento. La sensibilità dipende molto dalla composizione del composto pirotecnico.
Pertanto tutti i composti pirotecnici e i fuochi d'artificio con essi prodotti devono essere maneggiati
con cura, attenendosi alle istruzioni del produttore. I fuochi d'artificio che hanno un composto
pressato come i razzi, i fischioni, le fontane, ecc. non devono essere gettati o fatti cadere, poiché
potrebbero formarsi delle crepe nel composto o questo potrebbe separarsi dalle pareti del
contenitore. Di conseguenza la superficie di combustione si ingrandirebbe e ciò potrebbe provocare
un'esplosione spontanea al momento di un successivo utilizzo.

I fuochi d'artificio devono essere stoccati in un luogo asciutto! Un'elevata umidità può causare il
rigonfiamento del composto e del cartone che lo contiene. Nel momento in cui questi si riseccano
possono crearsi delle crepe e anche queste possono essere la causa di esplosioni.

Attenzione ai danni provocati dalle scintille! Le scintille dei fuochi d'artificio hanno temperature
estremamente elevate. Possono danneggiare persino il vetro (finestre, occhiali ecc.).
Determinati prodotti di reazione dei fuochi d'artificio (ad es. cenere) in combinazione con l'umidità
hanno un effetto corrosivo sui metalli e su determinate vernici (carrozzerie delle auto).

13. Aspetti legali

Per poter produrre i fuochi d'artificio è necessaria un'autorizzazione dell'Ufficio federale di polizia
(fedpol). Spazi e impianti adatti rappresentano un presupposto.
Inoltre, è necessaria una speciale assicurazione di responsabilità civile.

14. Fonti letterarie e internet
www.feuerwerk.de
www.skylighter.com
Libri: Conkling; Chemistry of Pyrotechnics
Takeo Shimizu; Fireworks, The Arts, Science and Technique

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